JP4334900B2

JP4334900B2 - Water supply method and system for solid oxide fuel cell

Info

Publication number: JP4334900B2
Application number: JP2003089429A
Authority: JP
Inventors: 崇荻原; 輝浩桜井; 久孝矢加部; 伸二天羽
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2023-03-27
Also published as: JP2004296359A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体酸化物形燃料電池モジュールへの水供給方法及びそのためのシステムに関し、より具体的には水を原燃料に混合して固体酸化物形燃料電池モジュールの燃料極に供給する方法及びそのためのシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体酸化物形燃料電池〔ＳＯＦＣ(=Solid Oxide Fuel Cell)：以下適宜ＳＯＦＣと略称する〕は、作動温度が８００〜１０００℃の範囲、通常１０００℃程度と高いが、支持膜式ＳＯＦＣのように８００℃程度以下、例えば７５０℃程度の温度で作動するものも開発されている。ＳＯＦＣの単電池すなわちセルは固体酸化物電解質を挟んで燃料極及び空気極（酸化剤として酸素が用いられる場合は酸素極）が配置され、燃料極／電解質（＝固体酸化物電解質）／空気極の３層ユニットで構成される。単電池一個の電圧は低いため、通常、単電池を複数層直列に積層して構成される。
【０００３】
空気極に導入される空気中の酸素は空気極で酸化物イオン（Ｏ^2-）となり、固体酸化物電解質を通って燃料極に至る。ここで、燃料極に導入される燃料と反応して電子を放出し、電気と水等の反応生成物を生成する。空気極での利用済み空気は空気極オフガスとして排出され、燃料極での利用済み燃料は、未利用の燃料、未利用の水蒸気、二酸化炭素等の反応生成物を含む燃料極オフガスとして排出される。
【０００４】
ところで、ＳＯＦＣにおいては、水素（Ｈ₂）及び一酸化炭素（ＣＯ）が燃料となり、電気化学反応に寄与する。このため、都市ガス、ＬＰＧ等の炭化水素を原燃料とする場合、原燃料を水素や一酸化炭素に改質して用いられる。炭化水素のうち、メタンは、ＳＯＦＣの燃料極におけるＮｉ等の触媒で内部改質されて水素や一酸化炭素となりＳＯＦＣの燃料として利用される。
【０００５】
しかし、原燃料に、メタン以外の炭化水素、すなわちエタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数Ｃ₂以上の炭化水素が含まれていると、ＳＯＦＣへの配管や燃料極で炭素が析出する。配管に炭素が析出すると流路を狭め、あるいは流路を閉塞してしまい、燃料極で炭素が析出すると電気化学反応を阻害して電池性能を劣化させてしまう。炭素数Ｃ₂以上の炭化水素に起因するこれらの問題は、長期間、繰り返し作動して使用するＳＯＦＣにおいて致命的となる。
【０００６】
都市ガス、ＬＰガス、天然ガス、ガソリン、あるいは灯油などにはメタン以外の炭化水素、すなわち炭素数Ｃ₂以上の炭化水素が含まれている。例えば都市ガス（１３Ａ）の場合、その組成の一例として、メタン８８．５％、エタン４．６％、プロパン５．４％、ブタン１．５％（％はｖｏｌ％、以下同じ）が含まれており、主成分であるメタンに加え、炭素数Ｃ₂〜Ｃ₄の炭化水素が約１１．５％も含まれている。
【０００７】
このため、これらをＳＯＦＣの燃料とするには、それら炭素数Ｃ₂以上の炭化水素を改質し、Ｃ₂以上の炭化水素をメタン、水素、一酸化炭素に変えて、除去しておく必要がある。この改質には通常水蒸気改質法が用いられる。水蒸気改質法は、炭化水素等の原燃料の水蒸気による改質反応により水素及び一酸化炭素を主成分とする改質ガスを製造する技術であり、原燃料のほか水蒸気が必要である。
【０００８】
ＳＯＦＣで用いられる水に不純物が含まれているとＳＯＦＣの運転に支障を来たしてしまうので、ＳＯＦＣへの供給水は可及的に高純度である必要がある。水中の全体の不純物量は導電率で示されるが、表１は水道水、燃料極オフガスのドレイン水のほか、蒸留等による処理水の導電率を比較したものである。表１のとおり、導電率は、水道水で２７０μＳ／ｃｍであるが、ＳＯＦＣの燃料極オフガスのドレイン水で３４．６μＳ／ｃｍ、蒸留水で２．６９μＳ／ｃｍ、活性炭／イオン交換樹脂／蒸留の三つの浄化処理を経た水で１．８０μＳ／ｃｍである。
【０００９】
【表１】

【００１０】
水道水等の市水は不純物を含むため、これをＳＯＦＣで用いるには高純度に浄化する必要がある。水の浄化法には、イオン交換膜法、活性炭等による吸着法、あるいはフィルター法などがあるが、水道水等の市水をＳＯＦＣで用いる場合には、図１に示すように、活性炭／イオン交換樹脂／蒸留の三つの浄化処理で浄化される。しかし、これら浄化法を適用する場合には、そのための設備が必要となり、またこれらの方法を実施する装置では、いずれ性能低下を来たすという問題もある。また、燃料極オフガスから回収した水の純度は比較的高いが、必要に応じてさらに高純度に浄化する必要がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、固体酸化物形燃料電池モジュールからの排ガス、すなわち燃料極オフガス及び空気極オフガスを利用することにより、上記のような水の浄化法を適用する必要なしに、固体酸化物形燃料電池モジュールにおいて必要な水を浄化して固体酸化物形燃料電池モジュールに供給する方法及びそのためのシステムを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は（Ａ）固体酸化物形燃料電池モジュールからの燃料極オフガス、空気極オフガス、両オフガスの燃焼排ガスのうちのいずれか一種または二種以上を加熱源として水を蒸発し、生成水蒸気を原燃料に混合して固体酸化物形燃料電池モジュールの燃料極に供給することを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュールへの水供給方法及びそのためのシステムを提供する。
【００１３】
本発明は（Ｂ）固体酸化物形燃料電池モジュールからの燃料極オフガス、空気極オフガス、両オフガスの燃焼排ガスのうちのいずれか一種または二種以上を加熱源として水を蒸発し、生成水蒸気を冷却して蒸留水として、原燃料と混合し、固体酸化物形燃料電池モジュールの燃料極に供給することを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュールへの水供給方法及びそのためのシステムを提供する。
【００１４】
本発明は（Ｃ）固体酸化物形燃料電池モジュールからの燃料極オフガス及び燃料極オフガスと空気極オフガスの燃焼排ガスのうちのいずれか一方または両方を冷却して水を抽出し、該抽出水を原燃料に混合して固体酸化物形燃料電池モジュールの燃料極に供給することを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュールへの水供給方法及びそのためのシステムを提供する。
【００１５】
本発明は（Ｄ）固体酸化物形燃料電池モジュールからの燃料極オフガス及び燃料極オフガスと空気極オフガスの燃焼排ガスのうちのいずれか一方または両方を冷却して水を抽出し、該抽出水を燃料極オフガス、空気極オフガスまたは両ガスの燃焼ガスのうちのいずれか一種または二種以上を加熱源として蒸発し、生成水蒸気を原燃料に混合して固体酸化物形燃料電池モジュールの燃料極に供給することを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュールへの水供給方法及びそのためのシステムを提供する。
【００１６】
本発明は（Ｅ）固体酸化物形燃料電池モジュールからの燃料極オフガス及び燃料極オフガスと空気極オフガスの燃焼排ガスのうちのいずれか一方または両方を冷却して水を抽出し、該抽出水を燃料極オフガス、空気極オフガスまたは両ガスの燃焼ガスのうちのいずれか一種または二種以上を加熱源として蒸発し、生成水蒸気を冷却して蒸留水として、原燃料に混合して固体酸化物形燃料電池モジュールの燃料極に供給することを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュールへの水供給方法及びそのためのシステムを提供する。前記発明（Ｄ）においては、該抽出水を蒸発した生成水蒸気を原燃料に混合するが、本発明（Ｅ）では、該生成水蒸気をさらに冷却して得られる蒸留水を原燃料に混合して固体酸化物形燃料電池モジュールの燃料極に供給するものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
〈本発明（Ａ）の態様〉
本発明（Ａ）は、ＳＯＦＣモジュールからの燃料極オフガス、空気極オフガス、両オフガスの燃焼排ガスのうちのいずれか一種または二種以上を加熱源として水を蒸発し、生成水蒸気を原燃料に混合してＳＯＦＣモジュールの燃料極に供給することを特徴とする。ここで、該生成水蒸気と原燃料の流量を制御することによりＳ／Ｃ比を制御することができる。また、これに代えて、該生成水蒸気と原燃料の温度を制御してＳ／Ｃ比を制御することもできる。
【００１８】
図２は本発明（Ａ）の態様例を示す図である。図２のとおり、蒸発器兼原燃料混合器を用いる。ＳＯＦＣモジュールからの排気ガス、すなわち燃料極オフガス、空気極オフガス、両オフガスの燃焼排ガスのうちのいずれか一種または二種以上を加熱源として水を蒸発する。そして、生成水蒸気を直かに都市ガス等の原燃料に混合し、加湿原燃料としてＳＯＦＣモジュールの燃料極に供給する。本発明（Ａ）によれば、装置の構成としても簡単であり、しかも水ポンプも不要である。また、生成水蒸気と原燃料の流量を制御するだけでＳ／Ｃ比を制御することができる。
【００１９】
ＳＯＦＣで用いられる水に不純物が含まれているとＳＯＦＣの運転に支障を来たしてしまうが、本発明（Ａ）によれば、水からの蒸発成分だけを原燃料に混合するので不純物が少なく、ＳＯＦＣの運転に支障を来たすことがない。また、本発明（Ａ）によれば、従来のように活性炭等による吸着法、イオン交換膜法、あるいはフィルター法などを適用する必要がないので、それらの設備が不要であり、またそれらを実施する装置が性能低下を来たすという問題も解決することができる。
【００２０】
〈本発明（Ｂ）の態様〉
本発明（Ｂ）は、ＳＯＦＣモジュールからの燃料極オフガス、空気極オフガス、両オフガスの燃焼排ガスのうちのいずれか一種または二種以上を加熱源として水を蒸発し、生成水蒸気を冷却して蒸留水として、原燃料と混合し、固体酸化物形燃料電池モジュールの燃料極に供給することを特徴とする。その際、該蒸留水の流量を水ポンプによりＳ／Ｃ比を制御して原燃料と混合することができる。
【００２１】
上記生成水蒸気の冷却は▲１▼モジュールへの導入空気による冷却、▲２▼モジュールへの導入燃料による冷却、▲３▼モジュールへの導入水による冷却、▲４▼自然冷却、▲５▼ファンによる空気等の流体の吹きつけによる冷却、▲６▼ブロワによる空気等の流体の吹きつけによる冷却、▲７▼ポンプによる空気等の流体の吹きつけによる冷却及び▲８▼水による冷却のうちの少なくとも一種により行うことができる。
【００２２】
本発明（Ｂ）においても、本発明（Ａ）の場合と同様の効果が得られる。すなわち、本発明（Ｂ）によれば、水からの蒸発成分だけを冷却して蒸留水として原燃料に混合するので、ＳＯＦＣの運転に支障を来たすことがない。また、本発明（Ｂ）によれば、従来のようにイオン交換膜法、活性炭等による吸着法、あるいはフィルター法などを適用する必要がないので、それらの設備が不要であり、またそれらを実施する装置が性能低下を来たすという問題も解決することができる。
【００２３】
ここで、本発明（Ａ）〜（Ｂ）のＳＯＦＣモジュールへの水供給方法及びシステムにおいては、これら発明（Ａ）〜（Ｂ）の構成を前提として、それら浄化法を補足的に利用してもよい。すなわち、本発明（Ａ）〜（Ｂ）において、前記水を蒸発する前に、水を活性炭による吸着、イオン交換樹脂による処理、電気集塵による処理、逆浸透膜による処理のうちの一種または二種以上により浄化しておくことにより、本発明（Ａ）〜（Ｂ）の発明で得られる水をさらに高純度にすることができる。
【００２４】
〈本発明（Ｃ）の態様〉
本発明（Ｃ）は、ＳＯＦＣモジュールからの燃料極オフガス及び燃料極オフガスと空気極オフガスの燃焼排ガスのうちのいずれか一方または両方を冷却して水を抽出し、該抽出水を原燃料に混合してＳＯＦＣモジュールの燃料極に供給することを特徴とする。本発明（Ｃ）においては、ＳＯＦＣモジュールからの燃料極オフガスまたは燃料極オフガスと空気極オフガスの燃焼排ガスを冷却して抽出した水は不純物の量が少ないので、これを原燃料に混合して利用する。ここで、該生成水蒸気と原燃料の流量を制御することによりＳ／Ｃ比を制御することができる。また、これに代えて、該生成水蒸気と原燃料の温度を制御してＳ／Ｃ比を制御してもよい。
【００２５】
本発明者らによる実機ＳＯＦＣモジュールについての実測値によると、例えば、原燃料として、組成がメタン＝８８．５％、エタン＝４．６％、プロパン＝５．４％、ブタン＝１．５％の都市ガス（１３Ａ）を用いた実機ＳＯＦＣモジュールから排出される燃料極オフガスと空気極オフガスを燃焼させた燃焼排ガスの組成は、Ｈ₂Ｏ（水蒸気）＝６．８５％、Ｎ₂＝７６．３％、Ｏ₂＝１３．１％、ＣＯ₂＝３．７４％である。本発明（Ｃ）においては、そのように水蒸気を含む燃焼排ガスを冷却して水を抽出する。
【００２６】
図３は本発明（Ｃ）の態様例を示す図である。図３のとおり、ＳＯＦＣモジュールから燃料極オフガスまたは燃料極オフガスと空気極オフガスの燃焼排ガスを冷却して水を抽出し、該抽出水を原燃料に混合してＳＯＦＣモジュールの燃料極に供給する。燃料極オフガスまたは燃料極オフガスと空気極オフガスの燃焼排ガスからの水の抽出は、該燃料極オフガスまたは燃焼排ガスの▲１▼ヒートパイプと空気ファンによる冷却、▲２▼ヒートパイプと空気ブロワによる冷却、▲３▼ヒートパイプと空気ポンプによる冷却、▲４▼ヒートパイプと水による冷却、または▲５▼水による冷却により行うことができる。この点、本発明（Ｄ）についても同様である。
【００２７】
本発明（Ｃ）においても、本発明（Ａ）〜（Ｂ）の場合と同様の効果が得られる。すなわち、ＳＯＦＣモジュールからの燃料極オフガス、燃料極オフガスと空気極オフガスの燃焼排ガスのうちのいずれか一方または両方を冷却して抽出した水は不純物の量が少ないので、ＳＯＦＣの運転に支障を来たすことがない。また、従来のようにイオン交換膜法、活性炭等による吸着法、あるいはフィルター法などを適用する必要がないので、それらの設備が不要であり、またそれらを実施する装置が性能低下を来たすという問題も解決することができる。
【００２８】
〈本発明（Ｄ）の態様〉
本発明（Ｄ）は、固体酸化物形燃料電池モジュールからの燃料極オフガス及び燃料極オフガスと空気極オフガスの燃焼排ガスのうちのいずれか一方または両方を冷却して水を抽出し、該抽出水を燃料極オフガス、空気極オフガスまたは両オフガスの燃焼排ガスのうちのいずれか一種または二種以上を加熱源として蒸発し、生成水蒸気を原燃料に混合して固体酸化物形燃料電池モジュールの燃料極に供給することを特徴とする。この場合、上記生成水蒸気と原燃料の流量を制御することによりＳ／Ｃ比を制御することができる。これに代えて、上記生成水蒸気と原燃料の温度を制御してＳ／Ｃ比を制御してもよい。
【００２９】
ＳＯＦＣからの燃料極オフガスまたは燃料極オフガスと空気極オフガスの燃焼排ガスを冷却して抽出した水は不純物の量が少なく、これを蒸発した生成水蒸気もさらに不純物の量が少ないので、本発明（Ｄ）によれば、ＳＯＦＣの運転に支障を来たすことがないのに加え、燃料極オフガス及び空気極オフガスはＳＯＦＣモジュールからのガスであるので、熱効率の点でも非常に有効である。また、従来のように活性炭等による吸着法、イオン交換膜法、あるいはフィルター法などを適用する必要がないので、それらの設備が不要であり、またそれらを実施する装置が性能低下を来たすという問題も解決することができる。
【００３０】
〈本発明（Ｅ）の態様〉
本発明（Ｅ）は、ＳＯＦＣからの燃料極オフガス及び燃料極オフガスと空気極オフガスの燃焼排ガスのうちのいずれか一方または両方を冷却して水を抽出し、該抽出水を燃料極オフガス、空気極オフガス、両オフガスの燃焼排ガスのうちのいずれか一種または二種以上を加熱源として蒸留し、該蒸留水を原燃料に混合してＳＯＦＣの燃料極に供給することを特徴とする。
【００３１】
前記本発明（Ｃ）ではＳＯＦＣからの燃料極オフガスまたは燃料極オフガスと空気極オフガスの燃焼排ガスを冷却して抽出した水をそのまま利用するが、本発明（Ｅ）においては、該抽出水をさらに蒸留して利用する。すなわち、該抽出水を燃料極オフガス、空気極オフガス、両オフガスの燃焼排ガスのうちのいずれか一種または二種以上を加熱源として蒸発した後、生成水蒸気を冷却し、得られた蒸留水を利用するものである。該生成水蒸気の冷却は、▲１▼モジュールへの導入空気による冷却、▲２▼モジュールへの導入燃料による冷却、▲３▼モジュールへの導入水による冷却、▲４▼自然冷却、▲５▼ファンによる流体（空気等）の吹きつけによる冷却、▲６▼ブロワによる流体（空気等）の吹きつけによる冷却、▲７▼ポンプによる流体（空気等）の吹きつけによる冷却及び▲８▼水による冷却のうちの少なくとも一種により行うことができる。
【００３２】
本発明（Ｅ）においても、本発明（Ａ）〜（Ｄ）の場合と同様の効果が得られる。すなわち、ＳＯＦＣからの燃料極オフガスまたは燃料極オフガスと空気極オフガスの燃焼排ガスを冷却して抽出した水は不純物の量が少ないが、本発明（Ｅ）では、該抽出水をさらに蒸留して高純度にして利用するので、ＳＯＦＣの運転に支障を来たすことがないのに加え、燃料極オフガス及び空気極オフガスはＳＯＦＣモジュールからのガスであるので、熱効率の点でも非常に有効である。また、従来のようにイオン交換膜法、活性炭等による吸着法、あるいはフィルター法などを適用する必要がないので、それらの設備が不要であり、またそれらを実施する装置が性能低下を来たすという問題も解決することができる。
【００３３】
ここで、本発明（Ｃ）〜（Ｅ）のＳＯＦＣモジュールへの水供給方法及びシステムにおいては、これら発明（Ｃ）〜（Ｅ）の構成を前提として、それら浄化法を補足的に利用してもよい。すなわち、本発明（Ｃ）〜（Ｅ）において、前記水を抽出した後、該抽出水を活性炭による吸着、イオン交換樹脂による処理、電気集塵による処理、逆浸透膜による処理のうちの一種または二種以上により浄化しておくことにより、本発明（Ｃ）〜（Ｅ）の発明で得られる水をさらに高純度にすることができる。
【００３４】
本発明におけるＳＯＦＣモジュールに供給する原燃料としては、炭化水素、都市ガス、ＬＰガス、天然ガス、ガソリン、軽油、灯油、ディーゼル油、アルコール類（メチルアルコール、エチルアルコール等）、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）などが用いられる。
【００３５】
【実施例】
以下、実施例を基に本発明をさらに詳しく説明するが、本発明が実施例に限定されないことはもちろんである。本実施例は図２に示す態様で実施した。
【００３６】
実機ＳＯＦＣモジュール（発電電力＝６３００Ｗ、電流密度＝０．３Ａ／ｃｍ²）からの燃料極オフガスと空気極オフガスを燃焼した燃焼排ガスを加熱源として水道水を蒸発した。蒸発器兼原燃料混合器の水面上に、原燃料として都市ガス１３Ａ（メタン８８．５％、エタン４．６％、プロパン５．４％、ブタン１．５％、脱硫済み）を流量１４．９７ＮＬＭ（ＮＬＭ=Normal Liter per Minute）で導入した。８５．４℃に加温した飽和水蒸気に直かに混合した。このように原燃料流量、加温温度を制御することによりＳ／Ｃ比（モル）が２．０の混合ガスが得られた。この混合ガスを実機ＳＯＦＣモジュールの燃料極に供給して運転したところ、長期間にわたり何らの支障なく運転を続けることができた。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、ＳＯＦＣモジュールの燃料極に供給する水について必要な水の浄化に、ＳＯＦＣモジュールからの排ガス、すなわち燃料極オフガス、空気極オフガスまたは両者の燃焼排ガスを利用することにより、従来のようにイオン交換膜法、活性炭等による吸着法、あるいはフィルター法などを適用する必要なしに、ＳＯＦＣモジュールにおいて必要な水を浄化して供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＳＯＦＣで用いる水の浄化法を示す図
【図２】本発明（Ａ）の態様例を示す図
【図３】本発明（Ｃ）の態様例を示す図[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for supplying water to a solid oxide fuel cell module and a system therefor, and more specifically, a method for mixing water with raw fuel and supplying it to a fuel electrode of a solid oxide fuel cell module. It relates to a system for that purpose.
[0002]
[Prior art]
A solid oxide fuel cell (SOFC (= Solid Oxide Fuel Cell): hereinafter abbreviated as SOFC as appropriate) has an operating temperature in the range of 800 to 1000 ° C., usually about 1000 ° C., but is similar to a support membrane type SOFC. Those operating at a temperature of about 800 ° C. or lower, for example, about 750 ° C. have been developed. An SOFC unit cell or cell has a fuel electrode and an air electrode (an oxygen electrode when oxygen is used as an oxidant) with a solid oxide electrolyte in between, and a fuel electrode / electrolyte (= solid oxide electrolyte) / air electrode. The three-layer unit. Since the voltage of one unit cell is low, it is usually configured by stacking a plurality of unit cells in series.
[0003]
Oxygen in the air introduced into the air electrode becomes oxide ions (O ²⁻ ) at the air electrode, and reaches the fuel electrode through the solid oxide electrolyte. Here, it reacts with the fuel introduced into the fuel electrode and emits electrons to generate a reaction product such as electricity and water. Used air at the air electrode is discharged as an air electrode off-gas, and used fuel at the fuel electrode is discharged as a fuel electrode off-gas containing reaction products such as unused fuel, unused water vapor, and carbon dioxide. .
[0004]
By the way, in SOFC, hydrogen (H ₂ ) and carbon monoxide (CO) serve as fuel and contribute to the electrochemical reaction. For this reason, when hydrocarbons, such as city gas and LPG, are used as raw fuel, the raw fuel is reformed into hydrogen or carbon monoxide and used. Of the hydrocarbons, methane is internally reformed by a catalyst such as Ni in the SOFC fuel electrode to become hydrogen or carbon monoxide and is used as fuel for SOFC.
[0005]
However, the raw fuel, hydrocarbons other than methane, i.e. ethane, ethylene, propane and contains carbon number C ₂ or more hydrocarbons such as butane, carbon in the pipe and the fuel electrode of the SOFC precipitated. If carbon is deposited on the pipe, the flow path is narrowed or the flow path is blocked, and if carbon is deposited on the fuel electrode, the electrochemical reaction is inhibited and the battery performance is deteriorated. These problems caused by C ₂ or more hydrocarbons carbon atoms, long-term, fatal in SOFC used repeatedly operated.
[0006]
City gas, LP gas, natural gas, gasoline, kerosene, and the like contain hydrocarbons other than methane, that is, hydrocarbons having a carbon number of C ₂ or more. For example, in the case of city gas (13A), examples of the composition include methane 88.5%, ethane 4.6%, propane 5.4%, butane 1.5% (% is vol%, the same applies hereinafter). in which, in addition to methane, the main component hydrocarbons with carbon number C ₂ -C ₄ is also included about 11.5%.
[0007]
Therefore, these in the fuel of the SOFC, modify them carbon number C ₂ and higher hydrocarbons, by changing the C ₂ and higher hydrocarbons methane, hydrogen, carbon monoxide, necessary to remove There is. A steam reforming method is usually used for this reforming. The steam reforming method is a technique for producing a reformed gas mainly composed of hydrogen and carbon monoxide by a reforming reaction of a raw fuel such as hydrocarbon with steam, and requires steam in addition to the raw fuel.
[0008]
If the water used in the SOFC contains impurities, the operation of the SOFC will be hindered, so the water supplied to the SOFC needs to be as pure as possible. The total amount of impurities in water is indicated by conductivity. Table 1 compares the conductivity of tap water, drain water of fuel electrode off-gas, and treated water by distillation. As shown in Table 1, the conductivity is 270 μS / cm for tap water, but 34.6 μS / cm for SOFC fuel electrode off-gas drain water, 2.69 μS / cm for distilled water, activated carbon / ion exchange resin / distillation. It is 1.80 μS / cm with water that has undergone three purification treatments.
[0009]
[Table 1]

[0010]
Since city water such as tap water contains impurities, it must be purified with high purity in order to use it in SOFC. Water purification methods include ion exchange membrane method, adsorption method using activated carbon, or filter method. When city water such as tap water is used in SOFC, activated carbon / ion is used as shown in FIG. It is purified by three purification processes of exchange resin / distillation. However, when these purification methods are applied, equipment for that purpose is required, and there is also a problem that the performance of the apparatus that implements these methods will eventually deteriorate. Moreover, the purity of the water recovered from the fuel electrode off-gas is relatively high, but it is necessary to purify it to a higher purity as required.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention uses the exhaust gas from the solid oxide fuel cell module, that is, the fuel electrode off-gas and the air electrode off-gas, so that the solid oxide fuel cell is not required to be applied. It is an object of the present invention to provide a method for purifying water necessary for a module and supplying it to a solid oxide fuel cell module and a system therefor.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present invention (A) evaporates water using one or more of the fuel electrode off-gas, air electrode off-gas, and both off-gas combustion exhaust gas from the solid oxide fuel cell module as a heating source, Provided is a method for supplying water to a solid oxide fuel cell module and a system therefor, characterized in that it is mixed with raw fuel and supplied to the anode of the solid oxide fuel cell module.
[0013]
The present invention (B) evaporates water using one or more of the fuel electrode off-gas, air electrode off-gas, and both off-gas combustion exhaust gas from the solid oxide fuel cell module as a heating source, Provided is a method for supplying water to a solid oxide fuel cell module and a system therefor, characterized in that it is cooled and mixed with raw fuel as distilled water and supplied to the anode of the solid oxide fuel cell module .
[0014]
In the present invention, (C) one or both of the fuel electrode offgas from the solid oxide fuel cell module and the combustion electrode exhaust gas of the fuel electrode offgas and the air electrode offgas is cooled to extract water, and the extracted water is extracted. Provided is a method for supplying water to a solid oxide fuel cell module and a system therefor, characterized in that it is mixed with raw fuel and supplied to the anode of the solid oxide fuel cell module.
[0015]
In the present invention, (D) one or both of the fuel electrode off gas from the solid oxide fuel cell module and the combustion electrode exhaust gas of the fuel electrode off gas and the air electrode off gas is cooled to extract water, and the extracted water is extracted. Evaporate using one or more of the fuel electrode off-gas, air electrode off-gas, or both combustion gases as a heating source, and mix the generated water vapor with the raw fuel to form the fuel electrode of the solid oxide fuel cell module A method for supplying water to a solid oxide fuel cell module and a system therefor are provided.
[0016]
In the present invention, water is extracted by cooling one or both of (E) the fuel electrode off gas from the solid oxide fuel cell module and the combustion electrode exhaust gas of the fuel electrode off gas and the air electrode off gas, and the extracted water is extracted. Either one or more of the fuel electrode off-gas, air electrode off-gas, or both gas combustion gases are evaporated as a heating source, the generated steam is cooled and distilled water is mixed with the raw fuel and solid oxide form A method for supplying water to a solid oxide fuel cell module and a system therefor are provided, wherein the water electrode is supplied to a fuel electrode of a fuel cell module. In the invention (D), the generated steam obtained by evaporating the extracted water is mixed with the raw fuel. In the present invention (E), distilled water obtained by further cooling the generated steam is mixed with the raw fuel. The fuel cell is supplied to the fuel electrode of the solid oxide fuel cell module.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
<Aspect of the present invention (A)>
In the present invention (A), water is evaporated using any one or more of the fuel electrode off-gas, air electrode off-gas, and both off-gas combustion exhaust gas from the SOFC module as a heating source, and the generated steam is mixed with the raw fuel. Then, it is supplied to the fuel electrode of the SOFC module. Here, the S / C ratio can be controlled by controlling the flow rates of the generated steam and raw fuel. Alternatively, the S / C ratio can be controlled by controlling the temperature of the generated steam and raw fuel.
[0018]
FIG. 2 is a diagram showing an example of an embodiment of the present invention (A). As shown in FIG. 2, an evaporator and raw fuel mixer is used. Water is evaporated using one or more of exhaust gases from the SOFC module, that is, fuel electrode off-gas, air electrode off-gas, and both off-gas combustion exhaust gas as a heat source. Then, the generated water vapor is directly mixed with the raw fuel such as city gas and supplied as the humidified raw fuel to the fuel electrode of the SOFC module. According to the present invention (A), the configuration of the apparatus is simple and no water pump is required. Further, the S / C ratio can be controlled only by controlling the flow rates of the generated steam and raw fuel.
[0019]
If the water used in the SOFC contains impurities, the operation of the SOFC will be hindered, but according to the present invention (A), only the evaporated components from the water are mixed into the raw fuel, so there are few impurities, The SOFC operation will not be hindered. In addition, according to the present invention (A), it is not necessary to apply an adsorption method such as activated carbon, an ion exchange membrane method, or a filter method as in the prior art. It is also possible to solve the problem that the device that performs the performance degradation.
[0020]
<Aspect of the present invention (B)>
In the present invention (B), water is evaporated by using any one or more of the fuel electrode off-gas, air electrode off-gas, and both off-gas combustion exhaust gas from the SOFC module as a heating source, and the generated steam is cooled and distilled. The water is mixed with raw fuel and supplied to the fuel electrode of the solid oxide fuel cell module. At that time, the flow rate of the distilled water can be mixed with the raw fuel by controlling the S / C ratio with a water pump.
[0021]
The generated steam is cooled by (1) cooling with air introduced into the module, (2) cooling with fuel introduced into the module, (3) cooling with water introduced into the module, (4) natural cooling, and (5) fan. At least one of cooling by blowing fluid such as air, (6) cooling by blowing fluid such as air by a blower, (7) cooling by blowing fluid such as air by a pump, and (8) cooling by water It can be done by one kind.
[0022]
In the present invention (B), the same effect as in the case of the present invention (A) can be obtained. That is, according to the present invention (B), only the evaporated component from the water is cooled and mixed with the raw fuel as distilled water, so that the SOFC operation is not hindered. In addition, according to the present invention (B), it is not necessary to apply an ion exchange membrane method, an adsorption method using activated carbon, or a filter method as in the prior art, so that these facilities are unnecessary, and they are implemented. It is also possible to solve the problem that the device that performs the performance degradation.
[0023]
Here, in the method and system for supplying water to the SOFC module of the present invention (A) to (B), on the premise of the configuration of these inventions (A) to (B), these purification methods are supplementarily used. Also good. That is, in the present invention (A) to (B), before evaporating the water, the water is adsorbed with activated carbon, treated with an ion exchange resin, treated with electrostatic dust, or treated with a reverse osmosis membrane. By purifying with seeds or more, the water obtained in the inventions of the present invention (A) to (B) can be further purified.
[0024]
<Aspect of the Present Invention (C)>
In the present invention (C), water is extracted by cooling one or both of the fuel electrode off-gas from the SOFC module and the combustion electrode exhaust gas of the fuel electrode off-gas and the air electrode off gas, and the extracted water is mixed with the raw fuel. Then, it is supplied to the fuel electrode of the SOFC module. In the present invention (C), water extracted by cooling the fuel electrode off-gas or the fuel electrode off-gas and the air electrode off-gas combustion exhaust gas from the SOFC module has a small amount of impurities, and is used by mixing it with the raw fuel. To do. Here, the S / C ratio can be controlled by controlling the flow rates of the generated steam and raw fuel. Alternatively, the S / C ratio may be controlled by controlling the temperature of the generated steam and raw fuel.
[0025]
According to the actual measurement values of the actual SOFC module by the present inventors, for example, as raw fuel, the composition is methane = 88.5%, ethane = 4.6%, propane = 5.4%, butane = 1.5% The composition of the combustion exhaust gas produced by burning the fuel electrode off-gas and the air electrode off-gas discharged from the actual SOFC module using the city gas (13A) of H ₂ O (water vapor) = 6.85% and N ₂ = 76. 3%, O ₂ = 13.1%, CO ₂ = 3.74%. In the present invention (C), the combustion exhaust gas containing water vapor is cooled to extract water.
[0026]
FIG. 3 is a diagram showing an example of an embodiment of the present invention (C). As shown in FIG. 3, the fuel electrode off gas or the combustion electrode exhaust gas of the fuel electrode off gas and the air electrode off gas is cooled from the SOFC module to extract water, and the extracted water is mixed with the raw fuel and supplied to the fuel electrode of the SOFC module. Extraction of water from the combustion exhaust gas of the fuel electrode off-gas or fuel electrode off-gas and air electrode off-gas is performed by (1) cooling the fuel electrode off-gas or combustion exhaust gas by a heat pipe and an air fan, and (2) cooling by a heat pipe and an air blower. (3) Cooling with a heat pipe and an air pump, (4) Cooling with a heat pipe and water, or (5) Cooling with water. This also applies to the present invention (D).
[0027]
In the present invention (C), the same effects as those of the present invention (A) to (B) can be obtained. That is, the water extracted from the SOFC module by cooling one or both of the fuel electrode off-gas, the fuel electrode off-gas and the air electrode off-gas combustion exhaust gas has a small amount of impurities, which hinders the operation of the SOFC. There is nothing. In addition, it is not necessary to apply an ion exchange membrane method, an adsorption method using activated carbon, or a filter method as in the past, so that these facilities are unnecessary, and the performance of a device that performs them deteriorates. Can also be solved.
[0028]
<Aspect of the Present Invention (D)>
In the present invention (D), water is extracted by cooling one or both of the fuel electrode off-gas from the solid oxide fuel cell module and the combustion electrode exhaust gas of the fuel electrode off-gas and the air electrode off-gas. The fuel electrode off-gas, air electrode off-gas, or both off-gas combustion exhaust gas is evaporated using one or more of them as a heating source, and the generated water vapor is mixed with the raw fuel to form the fuel electrode of the solid oxide fuel cell module It is characterized by supplying to. In this case, the S / C ratio can be controlled by controlling the flow rates of the generated steam and raw fuel. Instead, the S / C ratio may be controlled by controlling the temperature of the generated steam and raw fuel.
[0029]
Water extracted by cooling the fuel electrode off-gas or the fuel electrode off-gas and the air electrode off-gas combustion exhaust gas from the SOFC has a small amount of impurities, and the generated water vapor obtained by evaporating the water also has a small amount of impurities. ), The fuel electrode off-gas and the air electrode off-gas are gases from the SOFC module, so that the operation of the SOFC is not hindered, which is very effective in terms of thermal efficiency. In addition, there is no need to apply an adsorption method such as activated carbon, an ion exchange membrane method, or a filter method as in the past, so that these facilities are unnecessary, and the performance of the equipment that implements them deteriorates. Can also be solved.
[0030]
<Aspect of the Present Invention (E)>
In the present invention (E), water is extracted by cooling one or both of the fuel electrode off-gas from the SOFC and the combustion electrode exhaust gas of the fuel electrode off-gas and the air electrode off-gas, and the extracted water is extracted from the fuel electrode off-gas and air. One or more of polar off-gas and combustion off-gas of both off-gases is distilled as a heating source, and the distilled water is mixed with raw fuel and supplied to the fuel electrode of SOFC.
[0031]
In the present invention (C), the water extracted from the fuel electrode off gas from the SOFC or the combustion exhaust gas of the fuel electrode off gas and the air electrode off gas is used as it is. In the present invention (E), the extracted water is further used. Distilled and used. That is, after evaporating the extracted water using one or more of the fuel electrode off-gas, air electrode off-gas, and both off-gas combustion exhaust gas as a heating source, the generated steam is cooled, and the resulting distilled water is used. To do. The generated steam is cooled by (1) cooling with air introduced into the module, (2) cooling with fuel introduced into the module, (3) cooling with water introduced into the module, (4) natural cooling, and (5) fan. Cooling by blowing fluid (air, etc.) by (6) Cooling by blowing fluid (air, etc.) by a blower, (7) Cooling by blowing fluid (air, etc.) by a pump, and (8) Cooling by water It can be performed by at least one of them.
[0032]
In the present invention (E), the same effects as those of the present invention (A) to (D) can be obtained. That is, water extracted by cooling the fuel electrode off-gas from the SOFC or the combustion electrode exhaust gas of the fuel electrode off-gas and the air electrode off-gas has a small amount of impurities, but in the present invention (E), the extracted water is further distilled to increase the amount of impurities. Since it is used after being purified, the fuel electrode off-gas and the air electrode off-gas are gases from the SOFC module in addition to not hindering the operation of the SOFC, which is very effective in terms of thermal efficiency. In addition, it is not necessary to apply an ion exchange membrane method, an adsorption method using activated carbon, or a filter method as in the past, so that these facilities are unnecessary, and the performance of a device that performs them deteriorates. Can also be solved.
[0033]
Here, in the method and system for supplying water to the SOFC modules of the present invention (C) to (E), the purification methods are supplementarily used on the premise of the configuration of these inventions (C) to (E). Also good. That is, in the present invention (C) to (E), after extracting the water, the extracted water is adsorbed with activated carbon, treated with an ion exchange resin, treated with electric dust collection, treated with a reverse osmosis membrane or By purifying with two or more kinds, the water obtained in the inventions of the present invention (C) to (E) can be further purified.
[0034]
The raw fuel supplied to the SOFC module in the present invention includes hydrocarbon, city gas, LP gas, natural gas, gasoline, light oil, kerosene, diesel oil, alcohols (methyl alcohol, ethyl alcohol, etc.), dimethyl ether (DME), etc. Is used.
[0035]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in more detail based on an Example, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to an Example. This example was carried out in the mode shown in FIG.
[0036]
Tap water was evaporated using a combustion exhaust gas obtained by burning the fuel electrode off-gas and the air electrode off-gas from the actual SOFC module (generated power = 6300 W, current density = 0.3 A / cm ² ) as a heating source. 13. A city gas 13A (88.5% methane, 4.6% ethane, 5.4% propane, 1.5% butane, desulfurized) is fed as raw fuel on the water surface of the evaporator / raw fuel mixer. It was introduced with 97 NLM (NLM = Normal Liter per Minute). It was mixed directly with saturated steam heated to 85.4 ° C. By controlling the raw fuel flow rate and the heating temperature in this way, a mixed gas having an S / C ratio (mol) of 2.0 was obtained. When this mixed gas was supplied to the fuel electrode of the actual SOFC module and operated, the operation could be continued for a long time without any trouble.
[0037]
【The invention's effect】
According to the present invention, the exhaust gas from the SOFC module, that is, the fuel electrode off-gas, the air electrode off-gas, or the combustion exhaust gas of both is used to purify the water necessary for the water supplied to the fuel electrode of the SOFC module. Thus, it is possible to purify and supply the necessary water in the SOFC module without applying an ion exchange membrane method, an adsorption method using activated carbon, or a filter method.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a method for purifying water used in a conventional SOFC. FIG. 2 is a diagram showing an example of an embodiment of the present invention (A). FIG. 3 is a diagram showing an example of an embodiment of the present invention (C).

Claims

Water is evaporated using one or more of the fuel electrode off-gas, air electrode off-gas, and both off-gas combustion exhaust gas from the solid oxide fuel cell module as a heating source, and the generated steam is mixed with the raw fuel. A method for supplying water to a solid oxide fuel cell module, comprising: supplying a fuel electrode of the solid oxide fuel cell module.

2. The method of supplying water to a solid oxide fuel cell module according to claim 1, wherein the S / C ratio is controlled by controlling the flow rates of the generated water vapor and raw fuel. How to supply water to the module.

Water is extracted by cooling one or both of the fuel electrode off gas from the solid oxide fuel cell module and the combustion electrode exhaust gas of the fuel electrode off gas and the air electrode off gas, and the extracted water is mixed with the raw fuel. A method for supplying water to a solid oxide fuel cell module, characterized by supplying the fuel electrode of the solid oxide fuel cell module.

Either or both of the fuel electrode off-gas from the solid oxide fuel cell module and the combustion electrode exhaust gas of the fuel electrode off-gas and the air electrode off-gas are cooled to extract water, and the extracted water is extracted from the fuel electrode off-gas and air electrode. One or more of off-gas and combustion gases of both gases are evaporated as a heating source, and the generated water vapor is mixed with raw fuel and supplied to the fuel electrode of the solid oxide fuel cell module. To supply water to a solid oxide fuel cell module.

5. The method for supplying water to a solid oxide fuel cell module according to claim 4 , wherein the S / C ratio is controlled by controlling the flow rates of the generated water vapor and raw fuel. How to supply water to the module.

Either or both of the fuel electrode off-gas from the solid oxide fuel cell module and the combustion electrode exhaust gas of the fuel electrode off-gas and the air electrode off-gas are cooled to extract water, and the extracted water is extracted from the fuel electrode off-gas and air electrode. Evaporate using one or more of off-gas or both combustion gases as a heating source, cool the generated water vapor to distilled water, mix with raw fuel, and the fuel electrode of the solid oxide fuel cell module A method for supplying water to a solid oxide fuel cell module, characterized by comprising:

7. The method for supplying water to a solid oxide fuel cell module according to claim 6 , wherein the water vapor generated by evaporating the extracted water is cooled by (1) cooling by air introduced into the module, (2) Cooling with fuel introduced, (3) Cooling with water introduced into the module, (4) Natural cooling, (5) Cooling with fan, (6) Cooling with blower, (7) Cooling with pump, (8) Cooling with water A method for supplying water of a solid oxide fuel cell module, characterized in that the method is performed by at least one of them.

The method for supplying water to the solid oxide fuel cell module according to claim 3 , wherein any one or both of the fuel electrode off gas and the combustion electrode exhaust gas of the fuel electrode off gas and the air electrode off gas are cooled. When extracting water, the cooling is (1) cooling by heat pipe and air fan, (2) cooling by heat pipe and air blower, (3) cooling by heat pipe and air pump, (4) by heat pipe and water A method for supplying water to a solid oxide fuel cell module, characterized by performing cooling or (5) cooling with water.

Water is evaporated using one or more of the fuel electrode off-gas, air electrode off-gas, and both off-gas combustion exhaust gas from the solid oxide fuel cell module as a heating source, and the generated steam is mixed with the raw fuel. A water supply system for a solid oxide fuel cell module, characterized in that the water supply system supplies the fuel electrode of the solid oxide fuel cell module.

10. The water supply system for a solid oxide fuel cell module according to claim 9 , wherein the S / C ratio is controlled by controlling the flow rates of the generated steam and raw fuel. Water supply system for physical fuel cell modules.

Water is extracted by cooling one or both of the fuel electrode off gas from the solid oxide fuel cell module and the combustion electrode exhaust gas of the fuel electrode off gas and the air electrode off gas, and the extracted water is mixed with the raw fuel. A system for supplying water to a solid oxide fuel cell module, characterized in that it is supplied to the fuel electrode of the solid oxide fuel cell module.

Either or both of the fuel electrode off-gas from the solid oxide fuel cell module and the combustion electrode exhaust gas of the fuel electrode off-gas and the air electrode off-gas are cooled to extract water, and the extracted water is extracted from the fuel electrode off-gas and air electrode. One or more of the off gas and the combustion gas of both gases are evaporated as a heating source, and the generated water vapor is mixed with the raw fuel and supplied to the fuel electrode of the solid oxide fuel cell module. A water supply system for a solid oxide fuel cell module.

13. The water supply system for a solid oxide fuel cell module according to claim 12 , wherein the S / C ratio is controlled by controlling the flow rates of the generated steam and raw fuel. Water supply system for physical fuel cell modules.

Either or both of the fuel electrode off-gas from the solid oxide fuel cell module and the combustion electrode exhaust gas of the fuel electrode off-gas and the air electrode off-gas are cooled to extract water, and the extracted water is extracted from the fuel electrode off-gas and air electrode. Evaporate using one or more of off-gas or both combustion gases as a heating source, cool the generated water vapor to distilled water, mix with raw fuel, and the fuel electrode of the solid oxide fuel cell module A system for supplying water to a solid oxide fuel cell module, characterized by comprising:

The water supply system for a solid oxide fuel cell module according to claim 14 , wherein the water vapor generated by evaporating the extracted water is cooled by (1) cooling by air introduced into the module, (2) Cooling with fuel introduced, (3) Cooling with water introduced into the module, (4) Natural cooling, (5) Cooling with fan, (6) Cooling with blower, (7) Cooling with pump, (8) Cooling with water A water supply system for a solid oxide fuel cell module, characterized in that it is performed by at least one of them.

The water supply system to the solid oxide fuel cell module according to claim 11 , wherein any one or both of the fuel electrode off gas and the combustion electrode exhaust gas of the fuel electrode off gas and the air electrode off gas are cooled. When extracting water, the cooling is (1) cooling by heat pipe and air fan, (2) cooling by heat pipe and air blower, (3) cooling by heat pipe and air pump, (4) by heat pipe and water A system for supplying water to a solid oxide fuel cell module, wherein the system is cooled or (5) cooled with water.